„Hundsche Metalle“

Neue Materialien für Energie- und Informationstechnologie

Ein internationales Team von Physikerinnen und Physikern der Universitäten Bremen, Hamburg, aus dem niederländischen Nijmegen sowie der Tschechischen Akademie der Wissenschaften hat den Grundbaustein eines sogenannten „Hundschen Metalls“ erstmals detailliert untersucht und verstanden.

Besetzung von fünf Atomorbitalen (Boxen) mit fünf oder sechs Elektronen, deren Spin nach oben (magenta-farbene Pfeile) oder nach unten (cyan-farbene Pfeile) zeigen kann, gemäß der Hundschen Regel. Für die Besetzung eines Orbitals mit dem sechsten Elektron ist aufgrund der gegenseitigen elektrostatischen Abstoßung der Elektronen eine Energie von UCoulomb erforderlich. Wenn eines der Elektronen seinen Spin ändert, ist eine Energie von JHund erforderlich. Rechte Seite: Rastertunnelmikroskopische Abbildung eines Eisenatoms (Kegel mit roter Spitze) und dreier Eisen-Wasserstoff-Moleküle (Kegel mit gelben Spitzen) auf der Oberfläche von Platin. (© Dr. Jens Wiebe / Universität Hamburg)

Ihnen ist damit ein wichtiger Schritt auf der Suche nach neuen Materialien für die Energie- und Informationstechnologie gelungen, die einige der drängendsten Probleme in diesen Bereichen lösen könnten. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ veröffentlicht worden. Federführend bei dem Forschungsprojekt ist an der Universität Bremen Prof. Tim Oliver Wehling aus dem Fachbereich Physik/Elektrotechnik.

Was sind Hundsche Metalle?

Die elektronischen Eigenschaften von Festkörpermaterialien beruhen auf den Eigenschaften der Elektronen, die in den Atomen gebunden sind. Der Physiker Friedrich Hund stellte bereits vor fast 90 Jahren fest, dass die Besetzung der Atomorbitale mit Elektronen, die durch deren gegenseitige Abstoßung dominiert ist, auch zu einer bemerkenswerten Ordnung, den sogenannten „Spins“ dieser Elektronen, führt. Der Spin des Elektrons ist die Drehrichtung seiner Kreiselbewegung um die eigene Achse. Alle Elektronen in dem Atom tendieren dazu, mit demselben Drehsinn zu rotieren. Diese Faustregel wird auch Hundsche Regel genannt. Metallische Materialien, in denen die Elektronenbewegung tatsächlich durch die Hundsche Regel dominiert wird, werden Hundsche Metalle genannt.

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Das Forschungsprojekt

Da der elektrische Strom in elektronischen Bauteilen aus den Elektronen besteht, die von einem zum anderen Atom hüpfen, könnte die Gleichrichtung der Kreiselbewegung der Elektronen einen beträchtlichen Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften des Bauteils haben. In den vergangenen Jahren hat sich herausgestellt, dass sich die Elektronen in einer besonderen Klasse der Hochtemperatur-Supraleiter in der Tat wie in einem Hundschen Metall verhalten. In diesen Materialien hüpfen die Elektronen ohne Widerstand von Atom zu Atom und können daher ohne Energieverlust durch das Material fließen.

In sogenannten Hochtemperatur-Supraleitern überlebt dieser Suprastrom aber nur bei Temperaturen unter -130 °C. Das klingt zwar sehr kalt, ist aber schon deutlich höher als die typischen Sprungtemperaturen von unter -250 °C, die man von vielen klassischen Supraleitern kennt. Daher der Name „Hochtemperatur-Supraleiter“. In allen Fällen müssen entsprechende Bauteile stark heruntergekühlt werden.

Wissenschaftler suchen intensiv nach neuen Materialien, in denen der Suprastrom bei normalen Umgebungsbedingungen überlebt. Allerdings müssen für eine zielgerichtete Suche nach solchen Materialen die Grundbausteine der Hundschen Metalle erst einmal genauer verstanden werden. Genau das hat nun die Forschungskooperation der Universitäten Bremen, Hamburg, Nijmegen und der Tschechischen Akademie der Wissenschaften Prag erreicht.

Zielgerichtete Suche nach Hochtemperatur-Supraleitern

Dazu hat eine von Bremen aus koordinierte Gruppe theoretischer Physiker erstmals realistische Modelle Hundscher Störstellen, die Grundbausteine der Hundschen Metalle, entwickelt und deren Eigenschaften untersucht. Durch eine Verknüpfung der Theorie mit in Hamburg durchgeführten rastertunnelmikroskopischen Experimenten ist es dann gelungen, den Nachweis zu führen, dass sich Eisen-Wasserstoff-Moleküle auf der Oberfläche eines Platinkristalls tatsächlich wie Hundsche Störstellen verhalten.

Die Forscher waren weiterhin in der Lage, diese Störstellen sogar auf atomarer Skala zu manipulieren, in dem der Wasserstoff gezielt abgespalten wurde. Dabei stellte das Team fest, dass der Wasserstoff einen sehr starken Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften hat. Prof. Wehling: „In einem nächsten Schritt wollen wir die Kopplung sehr vieler solcher Hundscher Störstellen untersuchen, um zu verstehen, wie sich Hundsche Metalle Atom für Atom aufbauen lassen. Durch das genaue Studium dieser Modellsysteme erhoffen wir uns wichtige Einsichten für die zielgerichtete Suche nach neuen Hochtemperatur-Supraleitern“.

Weitere Informationen:
Universität Bremen
Fachbereich Physik/Elektrotechnik
Prof. Dr. Tim Oliver Wehling
E-Mail: twehling@uni-bremen.de

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